论文总字数：26336字

摘 要

随着脉冲功率技术应用领域的不断深入，同时也伴随着电力电子功率半导体器件的不断发展，以气体开关作为主开关的传统的Marx发生器，其存在重复频率低、工作稳定性差、工作效率低且使用寿命短等明显的缺点。正是由于这些局限性导致其已经无法满足现代应用领域的需求。然而以IGBT开关管为代表的电力电子半导体开关器件在Marx发生器中的应用大大改善了Marx发生器的性能。固态Marx发生器在现代应用领域中发挥着越来越重要的作用。因此对于基于固态开关器件的Marx发生器的研究成为了许多研究人员致力于的研究方向。本文基于对传统Marx发生器工作原理详细研究基础之上，介绍一种以IGBT作为主开关的固态Marx发生器的设计方法，旨在通过介绍其工作原理，对固态Marx发生器主电路部分进行设计，从而得到纳秒级的高压脉冲输出。本文详细介绍了固态Marx主电路部分的器件的选择方案，包括主电容的计算方法、电感的计算方法、IGBT开关管的选择等。此外本文还对IGBT开关管驱动电路进行了详细的介绍，介绍了从驱动信号到功率放大电路再到串变压器的结构原理，还重点对所用的MIC4452驱动芯片作了详细介绍。最后本文对所设计的电路进行了Saber仿真，给出了一个四级的Marx电路的Saber仿真模型，并对仿真的结果进行了分析。实现了输出纳秒级的高压脉冲，成功的设计出纳秒级高压脉冲电源。

关键词：纳秒级高压脉冲电源 脉冲功率 Marx发生器 IGBT Saber

The Design of High Voltage Pulsed Power System

Abstract

With the deepening of pulse power technology application field , and the development of power electronic power semiconductor devices, the traditional Marx generators use gas switch as its main switch, they have obvious shortcomings like low repetition rate, poor job stability, work efficiency low and short service life. Because of these limitations, it can not meet the needs of the modern application field. However, the power electronic semiconductor switching devices represented by IGBT switch greatly improve the performance of Marx generator. Solid state Marx generator is playing a more and more important role in modern application field. So the research on the Marx generator based on solid-state switch device becomes the research direction of many researchers.This paper bases on the traditional Marx generator principle of work in detail , introduces a kind of solid state Marx generator design method using IGBT as main switch, in order to get the high voltage nanosecond pulse output through introducing the working principle and designing solid state Marx generator main circuit. In this paper, the selection scheme of the device in the solid-state Marx main circuit is introduced, including the calculation method of main capacitor, the calculation method of inductance, the choice of IGBT switch tube, etc.. In addition, IGBT switch tube driving circuit are introduced in detail in this paper, from the drive signal to the power amplifier circuit to the series transformer ,their structures and principles are introduced, MIC4452 drive chip are introduced in detail as well. In the end, the Saber simulation of the designed circuit is carried out, and the Saber simulation model of the four stage Marx circuit is presented, and the simulation results are analyzed. The high voltage pulse of the output nanosecond grade is realized, and the high voltage pulse power supply of the second grade pulse is successfully designed.

Keywords: Marx power generator Pulse power supply IGBT nanosecond Saber

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 脉冲功率技术概述 1

1.2课题研究的背景和意义 2

1.3目前面临的主要问题和研究的状况 3

1.4论文的主要工作概述 6

第二章Marx发生器的研究 9

2.1 Marx发生器综述 9

2.2传统的Marx发生器 10

2.2.1 传统Marx发生器的电路结构介绍 10

2.2.2 传统Marx发生器的工作原理 12

2.2 全固态的Marx发生器 14

第三章 纳秒级高压脉冲电源的设计 18

3.1 Marx发生器主电路部分的设计 18

3.1.1 关于二级管的选择 19

3.1.2 关于负载的选择 19

3.1.3关于开关管的选取 19

3.1.4关于电感的选择 21

3.1.5 关于主电容的选择 22

3.2 IGBT开关管驱动电路的研究 23

3.2.1关于DSP介绍 24

3.2.2功率放大电路介绍 24

3.2.3串心变压器的设计 25

3.2.4 关于驱动芯片 25

3.2.5驱动电路的工作原理 27

3.3基于saber软件的仿真及分析 29

3.3.1 saber软件介绍 29

3.3.2仿真模型介绍及结果分析 30

3.3.3 仿真结果介绍及分析 31

第四章 结束语 34

参考文献 35

致谢 38

第一章 绪论

1.1 脉冲功率技术概述

脉冲功率技术(Pulsed Power Technology)是高电压技术的一个分支学科，它是一种旨在实现功率放大的电物理技术。通过在短时间内对电路进行压缩和转换，且要在纳秒量级的时间内将最初缓慢储存起来的密度非常高的电能释放给负载，从而实现了输出高功率的脉冲信号。脉冲功率技术的出现，是应在材料响应实验、闪光X射线照相以及模拟核武器效应等应用领域的需求。早在上个世纪60年代，英国的原子武器研究中心（AWER）的闪光射线机研究小组的研究人员结合脉冲发生器和传输线技术，从而得到了纳秒量级的高功率脉冲，并将这种技术应用在获得高强度X射线的研究中，极大的提高了闪光X射线机的能量和强度。从而翻开了脉冲功率技术研究的崭新的一页。

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